Upload
others
View
42
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE
ZAVRŠNI RAD
Nikola Kuzmić
0035193134
Zagreb, 2016. godina
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE
Idejno rješenje uređaja za
ispitivanje kompozitnih vratila
Mentor: Student:
Prof. dr. sc. Dragan Žeželj, dipl. ing. Nikola Kuzmić
0035193134
Zagreb, 2016. godina.
Izjavljujem da sam ovaj rad izradio samostalno koristeći stečena znanja tijekom studija i
navedenu literaturu.
Zahvaljujem se mentoru dr. sc. Draganu Žeželju, dipl. ing. na strpljenju i svesrdnoj pomoći
te dr. sc. Zoranu Domitranu, dipl ing. na strpljenju te pruženoj literaturi i pomoći u pisanju
ovog rada.
Isto tako, posebno se zahvaljujem svojim roditeljima, sestri te djedu i baki na bezuvjetnoj
podršci tijekom studiranja.
Nikola Kuzmić
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje I
Sadržaj
Sadržaj ......................................................................................................................................... I
Popis slika ................................................................................................................................ III
Popis tablica .............................................................................................................................. V
Popis oznaka ............................................................................................................................. VI
Sažetak .................................................................................................................................... VII
1. Uvod .................................................................................................................................... 1
1.1 Kompozitni materijali .................................................................................................. 1 1.2 Vlaknima ojačani kompozitni materijali ...................................................................... 1 1.3 Općenito o kompozitnim vratilima .............................................................................. 2 1.4 Primjena kompozitnih vratila ....................................................................................... 5
1.5 Vrste spojeva kompozit – metal ................................................................................... 6
2. Konstrukcijska rješenja spojeva kompozit – metal ............................................................. 8
3. Konstruiranje kompozitnog vratila .................................................................................... 10
3.1 Odabir vrste materijala ................................................................................................... 10
3.1.1 Staklena vlakna ....................................................................................................... 10 3.1.2 Ugljična vlakna ....................................................................................................... 12
3.1.3 Aramidna vlakna ..................................................................................................... 13 3.2 Smole .............................................................................................................................. 14 3.3 Tehnologija namatanja ................................................................................................... 16
3.4 Odabir vrste spoja kompozit – metal .............................................................................. 17 3.4.1 Kriteriji za odabir vrste spoja kompozit – metal ..................................................... 17
3.4.2 Mehanički spojevi ................................................................................................... 18
3.4.3 Adhezijski spojevi ................................................................................................... 20 3.4.4 Mehaničko – adhezijski spojevi .............................................................................. 22
3.5 Vrste opterećenja ............................................................................................................ 23 3.5.1 Opterećenje na vratilo ............................................................................................. 23 3.5.2 Opterećenje u spoju ................................................................................................. 25
3.6 Odabir ljepila .................................................................................................................. 28
4. Prikaz konstrukcijskih značajki važnih kod ispitivanja vratila – Lista zahtjeva ............... 31
5. Pregled dostupnih uređaja za ispitivanje vratila ................................................................ 32
6. Sigurnosni aspekti koje je potrebno ostvarit kod uređaja za ispitivanje kompozitnih
vratila ................................................................................................................................. 37
7. Elementi mjernog lanca ..................................................................................................... 39
8. Funkcijska dekompozicija ................................................................................................. 42
9. Morfološka matrica ............................................................................................................ 43
10. Shematski prikaz koncepata .............................................................................................. 46
10.1 Koncept 1 ..................................................................................................................... 46
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje II
10.2 Koncept 2 ..................................................................................................................... 48
10.3 Koncept 3 ..................................................................................................................... 49 10.4 Prikaz odabranih rješenja iz morfološke matrice ......................................................... 51
11. Vrednovanje koncepata ..................................................................................................... 54
12. Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila ................................................ 55
13. Zaključak ........................................................................................................................... 58
14. Literatura............................................................................................................................ 59
15. Prilozi ................................................................................................................................. 60
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje III
Popis slika
Slika 1. Usporedba osnovnih tipova kompozita: ........................................................................ 1 Slika 2. Ilustracija vlaknima ojačanog kompozita ..................................................................... 2 Slika 3. Primjer kompozitnog vratila ......................................................................................... 3 Slika 4. Dijagram ovisnosti duljine i brzine okretanja vratila o torzijskoj kritičnoj brzini
vrtnje [3] .................................................................................................................. 3 Slika 5. Položaj vratila prilikom frontalnog sudara [5] ............................................................. 5 Slika 6. Primjena kompozitnih vratila: ..................................................................................... 6 Slika 7. Ilustracija spojeva polimer – metal: ............................................................................ 6 Slika 8. Patentirana konstrukcijska rješenja spojeva [7] .......................................................... 9
Slika 9. Shematski prikaz osnovnog tipa kompozitnog vratila ................................................. 10
Slika 10. Staklena vlakna ........................................................................................................ 11 Slika 11. Struktura i vanjski izgled ugljičnih vlakana ............................................................. 13
Slika 12. Aramid ....................................................................................................................... 13 Slika 13. Utjecaj vremena absorpcije vode poliesterske i epoksidne smole na ....................... 16 Slika 14. Postupak namatanja (engl. Filament winding) ......................................................... 16
Slika 15. Ilustracija namatanja trake na model ...................................................................... 17 Slika 16. Delaminacija ............................................................................................................ 19 Slika 17. Primjer mehaničkog spoja ........................................................................................ 19
Slika 18. Presjek mehaničkog spoja [8] ................................................................................... 20 Slika 19. Primjer adhezijskog spoja ......................................................................................... 20 Slika 20. Presjek adhezijskog spoja [8] .................................................................................... 21
Slika 21. Rovašena glavina s prirubnicom ............................................................................... 22 Slika 22. Primjer mehaničko - adhezijskog spoja .................................................................... 23
Slika 23. Vratilo sa kardanskim spojevima .............................................................................. 25
Slika 24. Vratilo sa kardanskim spojevima u protu fazi ........................................................... 26
Slika 25. Prikaz raspodjele smičnog naprezanja na mjestu spoja [13] .................................. 27 Slika 26. Opterećenje na spoju metala i kompozita ................................................................. 28 Slika 27. Uređaj za statičko ispitivanje vratila ........................................................................ 32
Slika 28. Jedinica za savijanje i uvijanje vratila ...................................................................... 32 Slika 29. Dinamička kidalica tvrtke Blum - Novotest ............................................................... 33
Slika 30. Ispitni uređaj tvrtke Strama – MPS ........................................................................... 34 Slika 31. Isptini uređaj tvrtke MTS ........................................................................................... 35 Slika 32. Primjer zaštitne ograde uređaja ............................................................................... 37
Slika 33.Primjer senzora i prekidača za brzo isključivanje uređaja ........................................ 38 Slika 34. Ponašanje materijala vratila pri opterećenju momentom torzije ............................. 39 Slika 35. Primjer laserskog tahometra ..................................................................................... 40 Slika 36. Infracrveni senzor temperature ................................................................................. 40
Slika 37. Osjetnik vibracija ...................................................................................................... 41 Slika 38. Shematski prikaz ispitnog uređaja s zatvorenim tokom snage, Koncept 1: .............. 46 Slika 39. Shematski prikaz mjerenja progiba: ......................................................................... 47
Slika 40. Shematski prikaz ispitnog uređaja s otvorenim tokom snage, Koncept 2: ................ 48 Slika 41. Shematski prikaz ispitnog uređaja s otvorenim tokom snage, Koncept 3 ................. 49
Slika 42. Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila ....................................... 55 Slika 43. Izometrijski prikaz idejnog rješenja uređaja za ispitivanje vratila ........................... 56 Slika 44. Detalj pogonskog dijela uređaja ............................................................................... 57
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje IV
Slika 45. Detalj gonjenog dijela uređaja ................................................................................. 57
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje V
Popis tablica
Tablica 1. Svojstva staklenih vlakana [8] ................................................................................ 12 Tablica 2. Usporedba relativnih svojstava vlakana od različitih materijala [9] ..................... 14 Tablica 3. Relativna svojstva poliesterskih i epoksidnih smola [9] ......................................... 15 Tablica 4. Popis dostupnih ljepila ............................................................................................ 30
Tablica 5. Lista auotomobila sa specifikaijom okretnog momenta [16] ................................. 31 Tablica 6. Morfološka matrica ................................................................................................. 45 Tablica 7. Morfološka matrica s elementima korištenim u konstruiranju koncepata: ........... 53 Tablica 8. Vrednovanje koncepata ........................................................................................... 54
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje VI
Popis oznaka
Oznaka Jedinica Opis
𝑬 𝑵/𝒎𝟐 Modul elastičnosti
𝑬𝒙 𝑵/𝒎𝟐 Prosječni modul elastičnosti u aksijalnom smjeru vratila
𝑬𝒉 𝑵/𝒎𝟐 Prosječni modul elastičnosti u smjeru namotavanja
kompozita
𝒇𝟎 Hz Prirodna frekvencija vratila
𝑮 𝑮𝑷𝒂 Modul smičnosti
𝑰𝒚 𝒎𝟒 Moment tromosti oko osi y
𝑰𝒛 𝒎𝟒 Moment tromosti oko osi z
𝑳 𝒎 Duljina vratila
𝒏 𝒎𝒊𝒏−𝟏 Broj okretaja vratila
𝑵𝑲 𝒎𝒊𝒏−𝟏 Kritična brzina vrtnje vratila
𝒑 Hz Prva prirodna frekvencija vratila
𝑷 𝒌𝑾 Snaga dovođena na kardanski spoj
𝒓𝒎 𝒎 Radijus vratila
𝒓𝒖 𝒎 Unutarnji polumjer vratila
𝒓𝒗 𝒎 Vanjski polumjer vratila
t 𝒎 Debljina stjenke vratila
𝑻 𝑵𝒎 Okretni moment na kardanskom spoju
𝑻𝒇,𝒎𝒂𝒙 𝑵𝒎 Okretni moment uslijed kojeg dolazi do izvijanja vratila
𝑇𝑡,𝑚𝑎𝑥 𝑁𝑚 Okretni moment uslijed kojeg dolazi do pucanja vratila
𝜏𝑥𝑦 𝑁/𝑚2 Dopušteno smično naprezanje među slojevima vratila
𝜌 𝑘𝑔/𝑚3 Gustoća materijala
𝜔 𝑟𝑎𝑑/𝑠 Kutna brzina
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje VII
Sažetak
Primjena polimernih kompozita razvojem materijala i unapređivanjem tehnologija prerade
otvorila je nove mogućnosti u izradi strojnih elemenata za prijenos snage i gibanja. Među
najvažnijim elementima za prijenos snage i okretnog momenta su vratila. U ovom radu dan je
opis i podjela kompozitnih materijala. Navedene su karakteristike kompozitnih vratila,
njihova primjena i postojeća rješenja spojeva kompozit – metal.
Nadalje, ovim radom dan je pregled u pojedinosti konstruiranja kompozitnog vratila kao što
su odabir vrste materijala vratila, odabir smole, tehnologija namatanja, odabir vrste spoja
kompozit – metal s obzirom na vrstu opterećenja vratila, odnosno primjenu, pregled
postojećih konstrukcijskih rješenja kompozitnih vratila obzirom na primjenu te problemi koji
se mogu očekivati kod pojedine primjene takvih vratila.
U ovom radu dan je prikaz konstrukcijskih značajki važnih kod ispitivanja vratila, opis i
kinematska struktura ispitnih postolja te sigurnosni aspekti koje je potrebno ostvariti kod
uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila. Na temelju prikaza konstrukcijskih značajki važnih
kod ispitivanja vratila određeni su elementi mjernog lanca uređaja za ispitivanje vratila.
Nadalje, daljnjim proučavanjem postojećih ispitnih uređaja uočeno je da ne postoje rješenja
ispitnih uređaja koja bi mogla potkrijepiti sve varijante opterećenja te su ispitni uređaji rađeni
prema namjeni i ispitnom području.
Ključne riječi: kompozitna vratila, spoj kompozit – metal, uređaj za ispitivanje vratila
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 1
1. Uvod
1.1 Kompozitni materijali
Kompozitni materijali su materijali dobiveni umjetnim spajanjem dvaju ili više materijala
različitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti
jedna komponenta sama za sebe. Time se mogu postići neuobičajene kombinacije svojstava,
kao što su krutost, čvrstoća, mala težina, otpornost visokim temperaturama, kemijska
postojanost, tvrdoća ili vodljivost (električna i toplinska). [1]
Osnovna podjela kompozitnih materijala svodi se prema tipu baznog materijala (matrice)
kompozita, a dijeli se na metalne, keramičke i polimerne. Kompoziti isto tako mogu biti
metalno – metalni, metalno – keramički, metalno – polimerni, keramičko – polimerni,
keramičko – keramički, polimerno – polimerni i polimerni – metalni.
Nadalje, prema strukturi kompozitni materijali mogu se podijeliti na kompozite s česticama,
vlaknima ojačane kompozite, slojevite kompozite i sendvič konstrukcije. U ovom radu
detaljnije se razrađuju vlaknima ojačani kompoziti zbog najčešće primjene u strojnim
dijelovima za prijenos okretnog momenta.
Slika 1. Usporedba osnovnih tipova kompozita:
(a) kompoziti s česticama, (b) kompoziti s vlaknima, (c) slojeviti kompoziti [1]
Svojstva kompozita ovise o:
1. svojstvima matrice i ojačala
2. veličini i rasporedu konstituenata
3. volumnom udjelu konstituenata
4. obliku konstituenata
5. prirodi i jakosti veze među konstituentima
1.2 Vlaknima ojačani kompozitni materijali
Kod vlaknima ojačanih kompozita dolazi do izražaja povećanje čvrstoće, žilavosti, krutosti, te
povećanja omjera čvrstoće i gustoće uslijed ugradnje (armiranja) vlakana s visokom vlačnom
čvrstoćom u mekaniju, duktilnu matricu (Slika 2.). Materijal matrice ima namjenu da prenosi
opterećenje na vlakna te osigurava duktilnost i žilavost, gdje je uloga vlakana da nose veći dio
opterećenja.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 2
Vlakna kod vlaknima ojačanih kompozita se oblikuju u niti, viskere i žice. Neke od
najraširenijih vrsta vlakana su tekstilna staklena vlakna, ugljična (karbonska) vlakna,
aramidna vlakna te borna vlakna.
Slika 2. Ilustracija vlaknima ojačanog kompozita
Vlaknima ojačani kompoziti koriste se u zrakoplovnoj, svemirskoj, automobilskoj,
medicinskoj, rekreacijskoj i infrastrukturnoj industriji. Sve vrste kompozitnih vratila izrađuju
se upravo iz vlaknima ojačanih kompozita posebnim tehnikama namotavanja o kojima će se
govoriti kasnije.
1.3 Općenito o kompozitnim vratilima
Kompozitni materijali pronašli su široku primjenu u suvremenim konstrukcijama visoko
opterećenih i laganih strojnih dijelova. Sve češće se upotrebljavaju u izradi vratila za sportske
i automobile visokih performansi ponajviše zbog svoje čvrstoće na uvijanje i vlak, ali i male
mase koja omogućava izradu dužih vratila s većom torzijskom kritičnom brzinom vrtnje.
Kompozitni materijali koriste se u:
- automobilskoj industriji: vratila, lamele spojki, blokovi motora, podvozje, kočnice,
rezervoari goriva, ležajevi za upravljački sustav, odbojnici, karoserija, vrata, itd.
- svemirskoj industriji: daljinski upravljane robotske ruke, antene visokog pojačanja, rebra
i potpornji antene, itd.
- pomorskoj industriji: lopatice elise (propelera), ventilatori i puhala, kućišta reduktora,
ventili i cjedila, itd.
- kemijskoj industriji: kompozitni spremnici za tekući plin i kemikalije, podzemni
spremnici, itd.
- avioindustriji: vratila, zakrilca, ležajevi, vrata kotača za slijetanje, podovi i ploče
zrakoplova, itd.
- sportskoj opremi: teniski reketi, palice za golf, udice, rame bicikala, itd. [2]
Općenito, kompozitno vratilo je strojni element kojim se prenosi rotacijskog gibanje i zakretni
moment, odnosno snaga s pogonskog na gonjeni dio stroja. Vratila se koriste za spajanje
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 3
komponenti pogonskog sustava koje ne mogu biti spojene direktno zbog prevelike udaljenosti
ili zbog potrebnog osiguravanja relativnog pomaka među njima. Cilindrično tijelo vratila
izrađeno je od kompozitnog materijala, dok je prirubnica (spoj vratila s pogonskim ili
gonjenim dijelom stroja) napravljena od metala. Spoj kompozitnog i metalnog dijela vratila
detaljnije će se razraditi u nastavku ovog rada.
Slika 3. Primjer kompozitnog vratila
Kompozitna vratila mogu biti punog poprečnog presjeka ili šuplja. Puna vratila omogućavaju
prijenos većih okretnih momenata, no istovremeno zbog povećane mase dolazi do spuštanja
torzijske kritične brzine vrtnje. Vanjski plašt vratila prenosi najveći udio opterećenja, dok
unutarnji slojevi prenose manji dio, pa je stoga upotreba šupljih vratila najbolji odabir. [3]
Slika 4. Dijagram ovisnosti duljine i brzine okretanja vratila o torzijskoj kritičnoj brzini
vrtnje [3]
Uz to što imaju visoku torzijsku čvrstoću i malu masu, kompozitna vratila pokazala su dobra
svojstva kod prenošenja udarnih opterećenja. Naime, tijekom eksploatacije kompozitnog
vratila u području udarnog opterećenja dolazi do kutnog zakreta (elastične deformacije)
vratila što ima za posljedicu apsorpciju udarnog opterećenja na vratilo, a time se smanjuje i
udarno opterećenje na cijeli pogonski sustav što rezultira ujednačenijim naprezanjima koja su
povoljnija na radni vijek pogonskog sustava od skokovitih naprezanja. [4]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 4
Prednosti kompozitnih vratila u odnosu na metalna vratila [4]:
- manja težina
- veća čvrstoća
- progresivan mehanizam zaribavanja (pruža upozorenje prije pucanja)
- manja potrošnja snage (manje snage je potrebno za okretanje vratila zbog manje težine
vratila)
Nedostaci kompozitnih vratila u odnosu na metalna vratila [2]:
- matematički opis mehaničke strukture je složeniji
- konstruiranje je složenije (zbog ovisnosti svojstava o orijentaciji vlakana)
- proizvodnja je skupa
- popravak je složen i skup
Važno je naglasiti kako kompozitna vratila imaju vrlo dobru otpornost na koroziju, što
smanjuje troškove održavanja i produžuje radni vijek. [4]
Rastući interes javnosti za sigurna vozila potaknuo je automobilsku industriju i dobavljače
dijelova u automobilskoj industriji na konstruiranje komponenti koje će biti sigurne prilikom
sudara. Pod time se smatra kako niti jedna komponenta automobila tijekom sudara ne smije
predstavljati opasnost za putnike u vozilu. Dobar primjer je pogonsko vratilo kod automobila
s zadnjim ili sva četiri pogona prikazano zelenom bojom na Slici 5.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 5
Slika 5. Položaj vratila prilikom frontalnog sudara [5]
Pri frontalnom sudaru pogonsko vratilo prenosi sile s bloka motora na zadnju osovinu. Mnoga
današnja vozila koriste dvodijelno pogonsko vratilo koje se može na svojem središnjem spoju
izvinuti u bilo kojem smjeru, ovisno o položaju spoja prilikom sudara. To predstavlja
opasnost za putnike u vozilu jer vratilo može prodrijeti u kabinu vozila i ozlijediti putnike.
Kako bi se povećala sigurnost putnika pogonska vratila konstruiraju se s ciljem postizanja
definiranog ponašanja aksijalnih sila i pomaka prilikom sudara, a samim time i kontrolirane
apsorpcije energije. Kompozitna vratila pokazala su se kroz ispitivanja kao nova mogućnost
za postizanje željene apsorpcije energije u automobilskoj industriji. [5]
1.4 Primjena kompozitnih vratila
Kompozitna vratila koriste se za prenošenje širokog spektra opterećenja nastalih uslijed
prenošenja torzijskog momenta. Upravo iz tog razloga pronašla su i svoju široku primjenu
koju prikazuju sljedeće slike.
Kompozitna vratila koriste za prenošenje relativno malih dinamičkih momenata uvijanja kod
automobila pa sve do vrlo velikih momenata kod željezničkih vozila i brodova.
a)
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 6
b)
c)
a) Pomorska industrija, b) automobilska industrija, c) željeznička industrija
1.5 Vrste spojeva kompozit – metal
Spoj kompozitnog vratila sa radnim strojem najčešće se izrađuje od čelika ili od nekog
metala, ovisno o primjeni. Samim spajanjem dvaju materijala, kompozita i metala, nastaje
kritično mjesto na vratilu. Kod visoko opterećenih vratila dolazi do nejednake raspodjele
opterećenja po svim slojevima kompozita. Uz to, različita mehanička svojstva kompozita i
metala stvaraju dodatna kritična mjesta. [6]
Spojevi kompozitnih materijala mogu se podijeliti u dvije glavne skupine: mehaničke i
adhezivne spojeve. Mehanički spojevi prenose opterećenja oblikom, a adhezivni spojevi
koriste razne vrste lijepila kako bi spojili dva dijela. Uz mehaničke i adhezivne spojeve često
se koristi i kombinacija mehaničko – adhezivnih spojeva (Slika 7.).
Slika 7. Ilustracija spojeva polimer – metal:
a) adhezivni spoj, b) mehanički spoj, c) mehaničko – adhezivni spoj
Slika 6. Primjena kompozitnih vratila:
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 7
Mehanički spojevi mogu se podijeliti na vijčane i križne spojeve. Kod vijčanih spojeva spoj
se ostvaruje vijcima i maticama, no mogu se koristiti i razne vrste zatika dok križni spojevi
koriste principe prenošenja opterećenja oblikom.
Adhezivno spajanje postaje sve raširenije u praktičnoj upotrebi za spajanje dva različita
materijala u automobilskoj, zrakoplovnoj, elektroničkoj i medicinskoj industriji zamjenjujući
time konvencionalne metode spajanja poput zavarivanja, vijčanih spojeva ili zakovanih
spojeva. Razlog tome je što adhezivno spajanje, uz uvjet da je spoj pravilno konstruiran,
pruža brojne konstrukcijske, ali i ekonomske prednosti.
Prilikom konstruiranja adhezivnih spojeva potrebno je posebnu pažnju posvetiti vrsti
opterećenja spoja, pošto adhezivni spoj izvrsno podnosi smično opterećenje, no loše podnosi
normalno vlačno opterećenje. Neke od prednosti adhezivnog spoja, uz uvjet da je povoljno
opterećen (smično opterećenje), su jednolikija raspodjela naprezanja po površini spoja, nema
potrebe za bušenjem rupa te ušteda materijala.
No, adhezivni spojevi imaju i svoje mane, kao što su negativne posljedice na čvrstoću spoja
pri radu u okolini sa povišenom temperaturom i vlagom, posebice prilikom konstantnog
dugotrajnog naprezanja. Usto, u obzir se mora uzeti i puzanje materijala, odnosno postepeno
rastezanje spoja u uvjetima dugotrajnog statičkog opterećenja pri povišenim temperaturama.
[4]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 8
2. Konstrukcijska rješenja spojeva kompozit – metal
U ovom poglavlju govoriti će se o postojećim konstrukcijskim rješenjima kod spajanja
kompozitnog materijala i metala s naglaskom na primjenu spoja kod kompozitnih vratila. Kao
primjeri će se prikazati neka rješenja zaštićena patentima.
Bjørn Paulshus daje spoj kompozita i metala koji se temelji na korištenju mehaničkog
principa prenošenja opterećenja, odnosno spoj se sastoji od sustava utora na kraju
kompozitnog vratila koji se ukliješte s metalom i time postižu mehanički spoj. (Slika 8.
Patentirana konstrukcijska rješenja spojeva (a))
Gustafson i Vedvik predložili su spoj kompozita i metala kod kojeg se kompozitni materijal
namata oko metalnih peraja na glavini i time postižući uklještenje. Ovo je vrlo napredan spoj
jer koristi kompliciranu geometriju i posebne tehnike namatanja kompozita kako bi se izradio.
(Slika 8. Patentirana konstrukcijska rješenja spojeva (b))
Fahey i Mueller konstruirali su spoj kompozita i metala kod kojeg su aksijalna vlakna
namotana na dugu cilindričnu jezgru (11) zajedno s metalnom glavinom (12). Slojevi
aksijalnih vlakna su privezani obručem od vlakana namatanih pod kutom od 90° u utoru na
krajevima vratila (7). Aksijalna vlakna se zatim odrežu na kraju modela osovine koja služi za
namatanje vlakana i preklope nazad na vratilo gdje se zalijepe i na kraju očvrsnu. Ovaj spoj
osigurava visoka aksijalna opterećenja. Metalna glavina (12) ima narezan navoj što
omogućava prihvat raznovrsnih spojnih elemenata. (Slika 8. Patentirana konstrukcijska
rješenja spojeva (c))
Yates i Presta daju rješenja spoj kod kojeg se prilikom namatanja kompozitnih vratila u
provrte na glavini umeću zatici odmah po namatanju dok je vratilo u procesu izrade
(polimerizacije). Zatim se druga cijev namata sa vanjske strane preko zatika koji su time
osigurani od ispadanja. Vratilo se po završetku namatanja suši i time se ostvaruje nerastavljivi
spoj zaticima u materijalu. (Slika 8. Patentirana konstrukcijska rješenja spojeva (d))
a) Paulshus-ov patent b) Gustafson i Vedvik
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 9
c) Fahey i Mueller d) Yates i Presta
Slika 8. Patentirana konstrukcijska rješenja spojeva [7]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 10
3. Konstruiranje kompozitnog vratila
Prilikom konstruiranja različitih strojnih dijelova nameću se određeni zahtjevi koje
konstruktor mora ispuniti kako bi strojni dio bio funkcionalan. Ti zahtjevi se najčešće odnose
na vrste opterećenja strojnog dijela, gabaritne mjere i budžet kojim raspolažemo. Kako bi
vratilo bilo funkcionalno ono mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:
- mora prenositi okretni moment s mjenjačke kutije na diferencijal
- mora izdržati brzinu vrtnje koju zahtjeva vozilo
- mora biti u pogonu pri konstantnom mijenjanju kuta između mjenjačke kutije,
diferencijala i poluosovina
- duljina vratila mora se prilagođavati prilikom prijenosa okretnog momenta [3]
Slika 9. Shematski prikaz osnovnog tipa kompozitnog vratila
3.1 Odabir vrste materijala
U proizvodnji kompozitnih vratila koristi se nekoliko vrsta vlakana. Najčešće upotrebljavana
su staklena, ugljična ili aramidna (kevlarska) vlakna. Najbolja se vlakna za određenu primjenu
odabiru na temelju zahtjeva u čvrstoći, krutosti, otpornosti na koroziju i budžetu.
3.1.1 Staklena vlakna
Staklena vlakna (engl. Fiber glass) su najstarija i najčešće korištena te najjeftinija vrsta
vlakana. Napravljena su od vrlo finih staklenih niti, a odlikuju se malom težinom, dobrom
vlačnom i tlačnom čvrstoćom, otpornošću na oštećenja i dinamička periodička naprezanja.
Iako im je čvrstoća i krutost nešto manja od ugljičnih i aramidnih vlakana, staklena su vlakna
manje krhka i znatno jeftinija. [8]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 11
Slika 10. Staklena vlakna
Postoji nekoliko vrsta staklenih vlakana koja se koriste za izradu kompozitnih vratila, a to su
slijedeća: A – glass, AR – glass, C – glass, D – glass, E – glass, ECR – glass, R – glass, S –
glass, S-2 – glass.
Najčešće korištena staklena vlakna su E – glass i S – glass. E – glass staklena vlakna odlikuju
se niskom cijenom, visokom čvrstoćom i krutošću, relativno niskom gustoćom,
nezapaljivošću, otpornošću na povišenu temperaturu i utjecaj kemikalija, relativno
neosjetljivošću na vlagu te su dobar električni izolator. No, E – glass staklena vlakna imaju i
svoje nedostatke, kao što su nizak modul elastičnosti, relativno mala otpornost na umor
materijala, veća gustoća u odnosu na karbonska i aramidna vlakna te samoabrazivnost koja
dovodi do smanjene čvrstoće.
S – glass staklena vlakna su nastala dodavanjem silicijevog dioksida (SiO2) E – glass
materijalu kako bi se postigla bolja svojstva. Ona se sastoje od 65% silicijevog dioksida
(SiO2), 25% aluminijevog oksida (Al2O3) te 10% magnezijevog oksida (MgO). Staklena
vlakna od S – glass materijala pružaju najbolja svojstva od svih vrsta staklenih vlakana,
odnosno vrlo visoku vlačnu i tlačnu čvrstoću, odličnu otpornost na visoke temperature te
visoku otpornost na udare i udarna opterećenja. [8]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 12
Prikazane su vrijednosti gustoće, vlačne čvrstoće, modula elastičnosti i produljenja u
postotcima različitih materijala korištenih za izradu staklenih vlakana (Tablica 1.).
Tablica 1. Svojstva staklenih vlakana [8]
3.1.2 Ugljična vlakna
Ugljična vlakna (engl. Carbon fiber) su napravljena od ugljikovih kristala poredanih pravilno
uzduž osi. Prema udjelu ugljika te molekulskoj i nad molekulskoj strukturi razlikuju se
anizotropna i izotropna ugljična vlakna. Poznatija su i zastupljenija u uporabi anizotropna
ugljična vlakna (zvana još i grafitna vlakna) s grafitnom strukturom ugljika, a udjelom ugljika
većim od 95% (u pravilu većim od 99%).
Grafitni slojevi oblikuju kristalite heksagonalnog (saćastog) oblika, koji su usmjereni
usporedno s uzdužnom osi vlakna, zbog čega se svojstva vlakana u smjeru osi i smjeru
okomitom na os vlakna razlikuju (anizotropija). Grafitna vlakna proizvode se u obliku gotove
neuvijene više vlaknaste pređe, koja sadrži od stotinjak do nekoliko tisuća vrlo finih vlakana
(promjera nekoliko mikrometara). Ta se pređa koristi za ojačavanje kompozita, bilo u
izvornom obliku ili se za istu namjenu prerađuje u različite dvodimenzionalne i
trodimenzionalne strukture.
Vrsta vlakna Gustoća
(g/cm3)
Vlačna čvrstoća
(N/mm2)
Modul elastičnosti
(kN/mm2)
Postotak produljenja
(%)
A – glass 2,44 3300 72 4,8
AR – glass 2,7 1400 72 2,3
C – glass 2,56 3300 69 4,8
D – glass 2,11 2500 55 4,5
E – glass 2,54 3400 72 4,7
ECR – glass 2,72 3400 80 4,3
R – glass 2,52 4400 86 5,1
S – glass 2,53 4600 89 5,2
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 13
Slika 11. Struktura i vanjski izgled ugljičnih vlakana
Ugljična vlakna odlikuju se mnogim svojstvima, a neka od njih su vrlo visok omjer čvrstoće i
težine, visoka krutost, otpornost na koroziju, električna vodljivost, otpornost na umor
materijala, dobra vlačna čvrstoća, nezapaljivost, samopodmazivost, odlična izolacija od
elektromagnetskog polja te biološka inertnost. Unatoč prije nabrojenim kvalitetama, ugljična
vlakna imaju i svoje nedostatke, kao što su krhkost, zahtijevaju posebnu opremu i veliko
iskustvo kod korištenja i najskuplji su materijal od prije spomenutih staklenih i aramidnih
vlakana. [8]
3.1.3 Aramidna vlakna
Aramidna vlakna su visoko učinkovita vlakna, s molekulama građenima od relativno krutih
polimernih lanaca. Te molekule su povezane snažnom vodikovom vezom koja vrlo efikasno
prenosi mehaničko opterećenje, pa time omogućuje korištenje lanaca relativno male
molekularne mase.
Najčešće korišteno aramidno vlakno jest kevlar. Cijenom smješten između staklenih i
ugljičnih vlakana, kevlar nudi kompromis kod odabira materijala vlakana. Kevlar se odlikuje
visokom vlačnom čvrstoćom u odnosu na svoju težinu, ali i visokom otpornošću na udare i
abraziju. Loše svojstvo kevlara jest što se teško reže i nije pogodan za upotrebu kod tlačnih
opterećenja.[8]
Slika 12. Aramid
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 14
Prikazana je usporedba relativnih svojstava staklenih, ugljičnih i aramidnih vlakana (Tablica
2.).
Legenda: L = loše, D = dobro, O = Odlično, I - izvrsno
SVOJSTVO Staklena
vlakna
Ugljična
vlakna
Aramidna
vlakna
Gustoća L I I
Vlačna čvrstoća D I O
Tlačna čvrstoća O I L
Krutost D I O
Otpornost umoru materijala O-I O I
Otpornost na abraziju D L I
Pjeskarenje/Strojna obrada I I L
Vodljivost L I L
Otpornost na visoke
temperature I I D
Otpornost na vlagu O O D
Kompatibilnost sa smolom I I D
Cijena O L D
Tablica 2. Usporedba relativnih svojstava vlakana od različitih materijala [9]
3.2 Smole
Smole kod kompozita napravljenih namatanjem vlakana imaju istu namjenu kao i kod ostalih
kompozitnih konstrukcija napravljenih drugim postupcima. Smole kod kompozitnih
materijala osiguravaju pravilan položaj niti, pomažu u prenošenju opterećenja, štite niti od
abrazije (uslijed namatanja), reguliraju električna i kemijska svojstva te omogućavaju
prenošenje smičnog naprezanja između slojeva kompozita.
Postoji više vrsta smola koje se odabiru, a to su epoksidne i poliesterske smole. Obje vrste
mogu se koristiti za pravljenje kalupa, kalupljenje, laminiranje i lijevanje. Uz epoksidne i
poliesterske smole postoje i vinil-esterske smole.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 15
Epoksidne smole su visoko učinkovite i skupe smole. Koriste se kod izrade strojnih dijelova
koji zahtijevaju malu težinu, visoku čvrstoću i geometrijski preciznu izradu. Prednosti koje
pružaju epoksidne smole su:
- ne nastaju nusprodukti tijekom stvrdnjavanja
- ne skupljaju se tijekom stvrdnjavanja
- kemijska otpornost i otpornost na otapala
- otpornost na puzanje i zamor
- dobra električna svojstva
- dostupne u krutom ili tekućem stanju prije stvrdnjavanja
- mogu biti nezapaljive
Upravo iz tih razloga su epoksidne smole jedne od najšire primjenjivanih smola. [8]
Poliesterske smole odlikuju se nizom dobrih svojstava koja su im omogućila vrlo brzi razvoj u
razmjerno kratkom vremenu. Kako spadaju u duroplaste samim tim odlikuju se postojanošću
na višim temperaturama te su dimenzionalno stabilne za razliku od termoplasta. Poliesterske
smole su jeftinije od epoksidne smole, pružaju bolju zaštitu od korozije i zahtijevaju manje
iskustva u rukovanju. [9]
Vinil-esterske smole nude treću opciju kod odabira smole, često opisivane kao mješavina
epoksidnih i poliesterskih smola pošto cijenom i svojstvima spadaju u grupu između
epoksidnih i poliesterskih smola. Vinil-esterske smole pružaju odlična svojstva u zaštiti od
korozije i abrazije te se stoga vrlo često koriste za izradu spremnika za pohranu raznih
kemikalija.
SVOJSTVO Poliesterska smola Epoksidna smola Vinil-esterska smola
Savojna čvrstoća 131 N/mm2 175 N/mm² 145 N/mm²
Vlačna čvrstoća 50 N/mm2 75 N/mm² 73 N/mm²
Produljenje (%) 4 % 3 % 3 %
Apsorpcija vode
(24 sata na 23°C)
57 mg (0,4 %) DIN
53495
5-10 mg (0.06-
0.068%) ISO 62
(1980)
-
Vrijeme
stvrdnjavanja 6 – 8 sati 5 – 7 dana ̴ 30 minuta
Tablica 3. Relativna svojstva poliesterskih i epoksidnih smola [9]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 16
Slika 13. Utjecaj vremena absorpcije vode poliesterske i epoksidne smole na
međulamelarnu smičnu čvrstoću [10]
3.3 Tehnologija namatanja
Smole služe kao vezivo (lijepilo) između slojeva vlakana pa se tako prilikom postupka
namatanja vlakna premazuju smolom koja se nakon namatanja stvrdnjava u peći ili na sobnoj
temperaturi i time stvara čvrstu vezu između namotanih vlakana. Odabir smole se zasniva na
kompatibilnosti smole i vlakana, uvjetima eksploatacije i na željenim svojstvima gotovog
dijela. Prikazan je postupak namatanja (Slika 14.).
Slika 14. Postupak namatanja (engl. Filament winding)
Kako bi se dobila određena svojstva izratka, odnosno vratila, vlakna se mogu namatati na
model pod različitim kutovima. Kombiniranjem raznih kutova namatanja po slojevima vratila
omogućeno je prenošenje različitih opterećenja, bilo unutarnjih ili vanjskih. Vratila rađena
tehnikom namatanja rijetko su načinjena samo namatanjem niti pod 0° ili 90° jer bi se lako
moglo dogoditi da dođe do delaminacije.
Postoje tri osnovna kuta namatanja vlakana na model, a oni iznose 0°, ± 45° i 90°.
Namatanjem vlakana pod kutom od 0° povećava se aksijalna vlačna i tlačna čvrstoća te
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 17
otpornost na uzdužno savijanje vratila. Namatanjem vlakana na model pod ± 45° dobiva se
idealan kut za prenošenje čistog torzijskog opterećenja, dok se namatanjem vlakana pod
kutom od 90° dobiva otpornost vratila na unutarnji ili vanjski pritisak te osigurava okrugli
oblik izratka. Između ostalog, namatanjem niti pod kutom od 90° dobiva se zaštitni sloj na
vratilu, a ujedno se poveća udio sloja vlakana na presjeku vratila time što se istiskuje višak
smole prilikom namatanja prema krajevima vratila.
Vratila su vrlo rijetko opterećena samo jednom vrstom opterećenja, stoga se izrađuju od
minimalno dva spomenuta kuta kako bi se osigurala nosivost svih mogućih opterećenja.
Većina kombiniranih opterećenja može se prenositi vlaknima namotanim pod srednjim
kutom, pa na primjer za unutrašnja tlačna opterećenja koristi se namatanje pod ± 55°. Za
vanjski pritisak kako bi se spriječilo izvijanje koriste se namotaji pod kutom od ± 65°. Isto
tako za savojno opterećenje u kombinaciji sa torzijskim opterećenjem koriste se kutovi
namatanja između ± 5° i ± 25°. [11]
Slika 15. Ilustracija namatanja trake na model
Slika prikazuje kut namatanja traka načinjenih od vlakana prije spomenutih različitih
materijala. Vidljivo je da je kut namatanja od 0° paralelan sa uzdužnom središnjom osi
modela na koji se vrši namatanje, dok je kut od 90° okomit na središnju os modela pa tako
prilikom namatanja čini uzorak u obliku obruča (engl. Hoop Pattern).
3.4 Odabir vrste spoja kompozit – metal
Čvrstoća kompozitnih vratila je vrlo često određena čvrstoćom i robusnošću spojeva koji se
nalaze na tom vratilu. Prije je spomenuto da postoje dvije glavne skupine spojeva koje se
dijele na mehaničke i adhezijske, te kombinacija, odnosno mehaničko – adhezijski spojevi.
Strukturna čvrstoća mehaničkih spojeva ovisi primarno o lokalnoj nosivosti slojeva
kompozitnog materijala, dok kod adhezijskih spojeva ovisi o lokalnoj čvrstoći slojeva
kompozita na smična naprezanja.
3.4.1 Kriteriji za odabir vrste spoja kompozit – metal
Prilikom odabira vrste spoja kompozit – metal u obzir se moraju uzeti razni faktori. Neki od
faktora su vrsta opterećenja koja spoj mora prenositi, kompatibilnost materijala koji se nalaze
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 18
u spoju s ljepilom, vrsta ljepila, odabir principa spajanja, složenost izrade spoja, sigurnosni
aspekti te ukupna cijena spoja.
Kod odabira spoja prema vrsti opterećenja posebna se pažnja pridaje prirodi opterećenja koje
će djelovati na vratilo tijekom eksploatacije. Vrlo bitno za određivanje vrste spoja je utvrditi
da li će vratilo raditi u uvjetima statičkog ili dinamičkog, trajnog ili isprekidanog opterećenja,
ili će pak na vratilo djelovati periodička ili ne periodička udarna opterećenja. Između ostalog,
bitno je odrediti da li će na vratilo djelovati samo torzijsko naprezanje (uvijanje) uslijed
narinutnog momenta, ili će uz torzijsko naprezanje postojati i vlačno, odnosno tlačno
naprezanje ili moment savijanja.
Prilikom odabira spoja prema kompatibilnosti materijala potrebno je uskladiti materijale u
spoju kako bi spoj bio čvrst, odnosno potrebno je osigurati kompatibilnost materijala
kompozitnog vratila i metalnog spoja s ljepilom koje ih povezuje.
Između ostaloga, prilikom konstruiranja spoja kompozit – metal posebnu je pažnju potrebno
obratiti na složenost izrade samog spoja. Previše složen spoj teško je izraditi, a samim time
potrebno je mnogo više vremena i novca uložiti u izradu spoja.
Isto tako, sigurnosni aspekt je vrlo važan kod konstruiranja spoja kompozit – metal. Kod
velikih brzina vrtnje vratila prilikom zaribavanja spoja postoji velika mogućnost za nastanak
krhotina koje lete velikom brzinom uslijed rotacije. Iz toga se razloga spojevi na vratilima,
ovisno o pogonskoj grupi i vrsti opterećenja, izrađuju s određenim faktorima sigurnosti.
3.4.2 Mehanički spojevi
Mehanički spojevi konstruirani su tako da se opterećenje sa kompozitnog vratila na metalnu
glavinu prenosi vijčanim spojem. Postoji nekoliko faktora koji utječu na čvrstoću i
pouzdanost mehaničkog spoja kao što su delaminacija kompozita uslijed lokalnih tlačnih
naprezanja uzrokovanih vijcima, klinasti rascjepi kompozita pored vijčanog spoja, zaobilazno
opterećenje, opterećenje preneseno trenjem, periodička opterećenja te utjecaj vlage.
Lokalna koncentrirana tlačna naprezanja uzrokovana tlačenjem vijka mogu lokalno
uzrokovati velike tlačne pritiske na kompozitnom materijalu. Klinasti rascjep kod
kompozitnih vijčanih spojeva karakteriziran je pucanjem slojeva kompozita koje se naziva
delaminacijom (Slika 16.), a počinje na mjestu lokalnog koncentriranog naprezanja u blizini
vijka i propagira prema slobodnom kraju vratila. Takvi rascjepi uzrokovani su bočnim
pritiskom vijaka o slojeve kompozitnog materijala.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 19
Slika 16. Delaminacija
Mehanički postupci spajanja zahtijevaju upotrebu mehaničkih veza, kao što su vijci i
zakovice. Oni zahtijevaju bušenje rupa na vratilu i glavini što poskupljuje izradu vratila. Isto
tako, debljina kompozita i metala mora biti povećana po čitavom presjeku kako bi se vratilo
dodatno ojačalo zbog javljanja koncentriranih naprezanja na mjestima gdje se nalaze vijci ili
zakovice te time povećavaju težinu, glavnu prednost kompozitnih vratila naspram vratila od
drugih materijala poput čelika ili aluminija.
Na mjestu spajanja, provrti i vijci ili zakovice povećavaju mogućnost pojave korozije zajedno
s mogućnošću dodira ugljičnih pojačanja (karbonska vratila) s metalom i time rezultiraju
galvanskom korozijom. Kako bi se riješio taj problem, vijci korišteni za spajanje napravljeni
su najčešće od titana ili nehrđajućeg čelika. [12]
Slika 17. Primjer mehaničkog spoja
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 20
Slika 18. Presjek mehaničkog spoja [8]
3.4.3 Adhezijski spojevi
Adhezijski spojevi konstruirani su tako da se opterećenje s kompozitnog vratila na metalnu
glavinu prenosi lijepljenjem. Kod ovakve vrste spajanja kompozitnog vratila i metalne glavine
postoje određeni faktori koji utječu na čvrstoću spoja, kao što su vrsta ljepila koje se koristi,
postupak lijepljenja, debljina sloja ljepila, priprema svih površina na koje će se nanositi
ljepilo, trajanje sušenja ljepila te površina nalijeganja spoja dva dijela koji se lijepe.
Kod lijepljenih spojeva, za razliku od mehaničkih spojeva, nije potrebno bušiti provrte na
spoju pa na taj način ne dolazi do geometrijskog diskontinuiteta na spoju vratila što pridonosi
povoljnijoj raspodjeli naprezanja i izbjegnutom nastanku koncentriranih naprezanja koja
imaju znatan utjecaj na čvrstoću i pouzdanost spoja.
Slika 19. Primjer adhezijskog spoja
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 21
Slika 20. Presjek adhezijskog spoja [8]
Pošto adhezijski spojevi osiguravaju znatno bolju raspodjelu naprezanja od mehaničkih
spojeva, debljina, a samim time i težina oba materijala u spoju može se smanjiti. Čvrstoća
adhezijskih spojeva najčešće je ograničena samom čvrstoćom kompozita kojeg spajamo.
Kod adhezijskih spojeva postoje razne pripreme površine. Jedna od priprema površine je
rovašenje metalne glavine kako bi se povećala kontaktna površina između kompozitnog
materijala i metalne glavine. Primjer pripreme površine rovašenjem dan je sljedećom slikom
(Slika 21.).
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 22
Slika 21. Rovašena glavina s prirubnicom
3.4.4 Mehaničko – adhezijski spojevi
Kao što je već spomenuto u poglavlju 1.5 Vrste spojeva kompozit – metal, mehaničko –
adhezijski spoj kombinacija je mehaničkog i adhezijskog spajanja dvaju dijela, odnosno kod
mehaničko – adhezijskog spoja opterećenje se prenosi oblikom (ili mehaničkom vezom) te
adhezijskim silama (lijepilo).
Prema istraživanju koje su provodili R. Matsuzaki, M. Shibata i A. Todoroki [12] na
adhezijskim, mehaničkim i mehaničko – adhezijskim spojevima došao je do zaključka da
adhezivna lomna čvrstoća mehaničko – adhezijskih spojeva odgovara adhezivnoj lomnoj
čvrstoći adhezijskih spojeva, te da maksimalna smična čvrstoća mehaničko – adhezijskih
spojeva odgovara maksimalnoj smičnoj čvrstoći mehaničkih spojeva što ima za posljedicu
1.84 puta veću maksimalnu smičnu čvrstoću kod mehaničko – adhezijskih spojeva.
Uz to, ispitivanjem je utvrđeno da mehaničko – adhezijski spoj ima puno veću čvrstoću na
umor materijala nego što ima mehanički spoj, pošto se javljaju slabija koncentrirana
naprezanja i dolazi do manjeg oštećenja vlakana kompozita na mjestu mehaničke veze.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 23
Slika 22. Primjer mehaničko - adhezijskog spoja
Nedostaci mehaničko – adhezijskih spojeva su složeno konstruiranje, analiza i izrada takvih
spojeva, a samim time i veća cijena. No, velika prednost ove vrste spajanja kompozitnih
materijala s metalom jest vrlo veliki izbor materijala korištenih za lijepljenje, odnosno
konstruktor pravim odabirom lijepila, materijala koji spaja te vrsti i rasporedu mehaničkih
veza može vrlo dobro optimizirati spoj te uz minimalni korišteni materijal osigurati potrebnu
čvrstoću i faktor sigurnosti. [12]
3.5 Vrste opterećenja
3.5.1 Opterećenje na vratilo
Prilikom konstruiranja kompozitnog vratila vrlo je bitno pažnju usmjeriti na vrstu opterećenja
kojem će vratilo biti izloženo. Kompozitna vratila konstruiraju se kako bi mogla prenositi
okretni moment, a da pri tome ne dođe do loma vratila. Torzijska čvrstoća vratila, odnosno
okretni moment pod kojim dolazi do loma vratila, izravno je povezana s smičnom čvrstoćom
slojeva kompozitnog vratila, a izračunava se preko izraza [4]
𝑇𝑡,𝑚𝑎𝑥 = 2π𝑟𝑚2𝑡𝜏𝑥𝑦 , [𝑁𝑚]
gdje je 𝑇𝑡,𝑚𝑎𝑥 – okretni moment uslijed kojeg dolazi do loma vratila, [𝑁𝑚] 𝑟𝑚 – radijus vratila, [𝑚] 𝑡 – debljina stjenke vratila, [𝑚]
𝜏𝑥𝑦 – dopušteno smično naprezanje među slojevima vratila, [𝑁/𝑚2].
Kompozitna vratila, a posebice kompozitna vratila većih dužina, potrebno je proračunati na
izvijanje. Maksimalni dopušteni okretni moment na vratilu s obzirom na izvijanje dobiva se iz
sljedećeg izraza [4]
𝑇𝑓,𝑚𝑎𝑥= 0,272(2π𝑟𝑚2𝑡)(𝐸𝑥𝐸ℎ
3)14 (
𝑡
𝑟𝑚)
32
, [𝑁𝑚]
gdje je
𝑇𝑓,𝑚𝑎𝑥 – okretni moment uslijed kojeg dolazi do izvijanja vratila, [𝑁𝑚]
𝑟𝑚 – radijus vratila, [𝑚]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 24
𝑡 – debljina stjenke vratila, [𝑚]
𝐸𝑥 – prosječni modul elastičnosti u aksijalnom smjeru vratila, [𝑁/𝑚2]
𝐸ℎ – prosječni modul elastičnosti u smjeru namotavanja kompozita, [𝑁/𝑚2].
Kritična brzina vrtnje dobiva se iz sljedećih izraza [4]
𝑁𝐾 = 60𝑓0 , [𝑚𝑖𝑛−1]
𝑓0 = 𝐾𝑠
30𝜋𝑝2
𝐿2√
𝐸𝑟𝑚2
2𝜌 , [𝐻𝑧]
1
𝐾𝑠= 1 +
𝑝2𝜋2𝑟𝑚2
2𝐿2[1 +
𝑓𝑠𝐸
𝐺]
gdje je
𝑁𝐾 – kritična brzina vrtnje vratila, [𝑚𝑖𝑛−1]
𝑓0 – prirodna frekvencija vratila, [𝐻𝑧]
𝑝 – prva prirodna frekvencija vratila, [𝐻𝑧]
𝐺 – modul smičnosti, [𝐺𝑃𝑎]
𝐸 – modul elastičnosti, [𝑁/𝑚2]
𝐿 – duljina vratila, [𝑚] 𝑟𝑚 – radijus vratila, [𝑚]
𝜌 – gustoća materijala, [𝑘𝑔/𝑚3]
𝑓𝑠 = 2 za šuplje poprečne presjeke
Kompozitna se vratila koriste za prijenos snage pri velikim brzinama vrtnje pa je potrebno
izračunati moment tromosti vratila. Moment tromosti za šuplje vratilo izračunava se iz izraza
[10]
𝐼𝑧 = 𝐼𝑦 =𝜋
4(𝑟𝑣
4 − 𝑟𝑢4) =
𝜋
64(𝑑𝑣
4 − 𝑑𝑢4)
gdje je
𝐼𝑧 = 𝐼𝑦 – moment tromosti, [𝑚𝑚4]
𝑟𝑣 – vanjski polumjer vratila, [mm]
𝑟𝑢 – unutarnji polumjer vratila, [mm]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 25
Iz izraza je vidljivo da moment tromosti ovisi o geometriji vratila, odnosno o dimenzijama
vanjskog i unutarnjeg promjera vratila.
3.5.2 Opterećenje u spoju
Kod konstruiranja spoja kompozita i metala potrebno je odrediti vrstu opterećenja kojem će
spoj biti izložen. U ovom radu isključivo govori o kompozitnim vratilima i njihovim
spojevima s metalnim glavinama, fokus će biti na opterećenjima koja se javljaju upravo u
primjeni kompozitnih vratila.
Pretpostavlja se da će vratilo biti opterećeno samo okretnim momentom i da na njega neće
djelovati nikakva druga opterećenja, odnosno na vratilo neće djelovati poprečne sile. Takvo
opterećenje na vratilu javlja se kada je vratilo spojeno kardanskim zglobovima na ulaz i izlaz
snage (Slika 23.).
Slika 23. Vratilo sa kardanskim spojevima
Osnovno svojstvo kardanskih (zglobnih) spojeva jest neravnomjerno prenošenje rotacijskog
gibanja kroz sam spoj. Omjer kutnih brzina ulaza i izlaza vratila ciklički se mijenja dva puta
unutar jednog okretaja vratila. Ta kolebanja kutnih brzina izazivaju kutna ubrzanja koja se
moraju uzeti u obzir prilikom konstruiranja vratila s kardanskim spojevima.
Neravnomjerno prenošenje rotacijskog gibanja može se eliminirati korištenjem dva kardanska
zgloba koja su u protu fazi. U tom slučaj, kolebanje kutne brzine izazvano na jednom
kardanskom spoju (npr. ulazni spoj) može biti poništeno na drugom kardanskom spoju (npr.
izlazni spoj) i time prenoseći konstantnu kutnu brzinu sa prijenosnim omjerom 1:1.
Ovdje valja napomenuti kako na vratilu koje spaja dva kardanska zgloba nije moguće izbjeći
pojavljivanje kolebanja kutne brzine, stoga će vratilo biti opterećeno cikličkim udarnim
opterećenjima.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 26
Slika 24. Vratilo sa kardanskim spojevima u protu fazi
Kako bi se izračunao moment torzije na kardanskom zglobu koristi se sljedeći osnovni izraz
𝑃 = 𝑇𝜔
koji nakon sređivanja daje
𝑇 = 𝑃
𝜔=
𝑃
2𝜋𝑛60
=9554𝑃
𝑛, [𝑁𝑚]
gdje je
𝑇 – okretni moment na kardanskom spoju, [𝑁𝑚]
𝑃 – snaga dovođena na kardanski spoj, [𝑘𝑊]
𝜔 – kutna brzina, [𝑟𝑎𝑑/𝑠]
𝑛 – broj okretaja, [𝑚𝑖𝑛−1]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 27
Prikazan je presjek lijepljenog spoja metalne prirubnice i vratila duž aksijalne osi vratila
(Slika 25.). Moment torzije naznačen je crvenom strelicom, dok je smično opterećenje spoja
označeno krivuljom plave boje.
Slika 25. Prikaz raspodjele smičnog naprezanja na mjestu spoja [13]
Prema raspodjeli naprezanja na spojnom mjestu vidljivo je da krajevi spoja preuzimaju više
smičnog naprezanja nego što preuzima sredina spoja što djeluje nepovoljno na čvrstoću spoja.
Pravilna raspodjela kod idealnog spoja bila bi u obliku horizontalnog pravca, što bi značilo da
svaki dio spoja preuzima približno isto naprezanje s ciljem izbjegavanja koncentracije
naprezanja.
Uzevši u obzir krivulju raspodjele smičnog naprezanja (Slika 25.), povećanjem širine spoja
poveća se površina na krajevima spoja gdje se nalazi koncentrirano naprezanje, pa se time isto
naprezanje prenosi preko veće površine što rezultira manjim opterećenjem spoja, a samim
time rezultira i jačim spojem. [14]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 28
Slika 26. Opterećenje na spoju metala i kompozita
3.6 Odabir ljepila
Na današnjem tržištu prisutne su brojne vrste ljepila sa različitim svojstvima, stoga je
prilikom konstrukcije potrebno pažljivo odabrati koje će se ljepilo koristiti za spajanje kako bi
se osigurala što bolja svojstva i pouzdanost spoja.
Neki od primjera ljepila su: ljepilo stvrdnuto toplinom, privremeno (rastavljivo) ljepilo, vruće
taljeno ljepilo, brzo ljepilo, ljepilo osjetljivo na pritisak, brtveća ljepila, ljepila za visoka
opterećenja (strukturna ljepila), ljepila koja se stvrdnjavaju pod UV svjetlom te mnoga druga.
[15]
Pošto su vratila, odnosno spojevi vratila visoko opterećeni strojni dijelovi najčešće će se
koristiti strukturna ljepila za spajanje metalne glavine i kompozitnog vratila.
Strukturna ljepila su grupa ljepila koja ima dobru sposobnost prenošenja opterećenja, odnosno
ona daju snagu dijelovima koje povezuju. Strukturna ljepila koriste se za spajanje dijelova
kod namještaja, automobila, vlakova, brodova te posebice u avioindustriji. U grupu
strukturnih ljepila mogu se svrstati sljedeće vrste ljepila: akrilna, anaerobna, cijanoakrilatna,
epoksi, vruće taljena, metakrilatna te poliuretanska ljepila.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 29
Akrilna ljepila imaju visok stupanj tolerancije na pripremljenost površine na koje se nanosi,
odnosno ne trebaju posebnu pripreme površine. Vrlo su slična epoksi ljepilu u pogledu smične
čvrstoće te pružaju elastične spojeve s dobrom otpornošću na delaminaciju i udare.
Stvrdnjavanje ovog ljepila može se odvijati na sobnoj temperaturi te obično traje nekoliko
minuta, nakon čega spoj poprima konačna svojstva čvrstoće. [15]
Anaerobna ljepila su ljepila koja se vrlo lagano nanose zato što se njihovo stvrdnjavanje
odvija u atmosferi lišenoj kisika što znači da pri normalnoj atmosferi prilikom nanošenja
anaerobnog ljepila ne dolazi do stvrdnjavanja. Iako ova ljepila imaju visoku kohezijsku
čvrstoću, zbog slabe adhezijske čvrstoće nisu pogodna za propusne materijale. Usto, ne
popunjavaju dobro praznine i vrlo često zahtijevaju upotrebu temeljnog (primer) sloja.
Cijanoakrilatna ljepila pripadaju skupini brzo stežućih ljepila koja se stežu unutar 5 sekundi
nakon nanošenja na podlogu. Najveća prednost ovih ljepila jest sposobnost spajanja plastičnih
i gumenih dijelova vrlo čvrstom vezom, no s druge strane nisu otporna na udare i podložna su
propadanju uslijed pojave vlage. Najčešće se primjenjuju kod manjih dimenzija spojeva.
Epoksi ljepila na tržištu postoje duže od bilo koje vrste ljepila koja se primjenjuje u
strojarstvu i najčešće su korištena ljepila. Epoksi ljepila pružaju vrlo visoku smičnu čvrstoću i
mogu se lako mijenjati kako bi se prilagodila potrebama raznih spojeva. Generalno, epoksi
ljepila su kruta te popunjavaju dobro male praznine. [15]
Vruće taljenja ljepila najčešće se koriste u područjima slabih opterećenja. Mogu tvoriti
elastične i krute spojeve, a 80 % svoje čvrstoće ostvare unutar nekoliko sekundi nakon
nanošenja. Mogu povezivati propusne i nepropusne materijale te obično zahtijevaju dobru
pripremu površine. Nisu osjetljiva na vlagu, no mogu omekšati pri višim temperaturama.
Metakrilatna ljepila pružaju jedinstven kompromis visoke vlačne čvrstoće, smične čvrstoće i
otpornosti na ljuštenje s maksimalnom otpornošću na udare i naprezanja kroz veliki raspon
temperatura. Metakrilatna ljepila mogu se primjenjivati bez pripreme površine za spajanje
plastičnih, metalnih i kompozitnih dijelova. Usto, otporna su na vodu i veliki broj otapala te
čine nepropusnu vezu.
Poliuretanska ljepila su poznata po svojoj žilavosti i elastičnosti čak i pri niskim
temperaturama. Otporna su na smična naprezanja i imaju odlično svojstvo otpornosti na vodu
i vlagu, iako su nestvrdnuta vrlo osjetljiva na vlagu i temperaturu.
PROIZVOĐAĆ
LJEPILA TRGOVINA VRSTA LJEPILA NAZIV LJEPILA
LOCTITE Henkel
Hrvatska epoksi
Loctite 9514, Loctite EA
3450, Loctite EA 3421…
LOCTITE Henkel
Hrvatska akril Loctite 319/7649, Loctite 330
STALOC Schachermayer
Hrvatska anaerobno
Industrieschnellreiniger SQ-
220
LOCTITE Raos d.o.o. cijanoakrilatno
Loctite serija 400 (Loctite
401, Loctite 406, Loctite 454,
Loctite 480, Loctite 496)
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 30
LOCTITE Raos d.o.o. metakrilatno
Loctite serija 300 (Loctite
302, Loctite 322, Loctite 326,
Loctite 330)
Murexin, Henkel ITV d.o.o.,
Raos d.o.o poliuretansko
Murexin KK90, Jet-Weld™,
Macroplast UK 1351 B25,
Teromix 6700
Tablica 4. Popis dostupnih ljepila
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 31
4. Prikaz konstrukcijskih značajki važnih kod ispitivanja vratila – Lista
zahtjeva
U svrhu što detaljnijeg ispitivanja kompozitnih vratila sastavljena je sljedeća lista zahtjeva
bitnih kod ispitivanja vratila.
Lista zahtjeva potrebnih za ispitivanje vratila:
- dinamičko i statičko opterećenje vratila
- mehaničko opterećenje vratila pri varijabilnim brzinama i momentima torzije
- mjerenje kutne deformacije pri statičkom i dinamičkom opterećenju
- mjerenje progiba vratila
- mjerenje vibracija
- mjerenje temperature spojeva vratila
- prikaz i snimanje izmjerenih podataka
Prilikom sastavljanja liste zahtjeva posebna pažnja usmjerena je na moguće uvjete
eksploatacije vratila. U obzir su uzete velike brzine vrtnje (do 7000 o/min) pošto se energija
pohranjena u rotirajućem vratilu i mogućnost havarije vratila povećavaju eksponencijalno s
povećanjem brzine vrtnje vratila pa stoga do pucanja vratila najčešće dolazi kod vrlo velikih
brzina vrtnje. [11]
AUTOMOBIL OKRETNI MOMENT [Nm] BROJ OKRETAJA [min-1]
Bugatti Veyron 1500 3000
Koenigsegg Agera 1200 4100
Porsche 9FF GT9 965 5970
Audi R8 Quattro 1000 3000
BMW 760 Li 750 1500
Tablica 5. Lista auotomobila sa specifikaijom okretnog momenta [16]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 32
5. Pregled dostupnih uređaja za ispitivanje vratila
U svrhu što boljeg opisa prikazat će se različite vrste ispitnih postolja već postojeći uređaja za
ispitivanje vratila.
Statička kidalica njemačke tvrtke Blum – Novotest [17] ima namjenu kako bi se
eksperimentalnim putem utvrdilo pri kojem narinutnom momentu torzije dolazi do pucanja
vratila ili spoja vratila sa pogonskim strojem. Ovaj uređaj omogućava kontroliranje i
reguliranje narinutog opterećenja na vratilu, automatski otkriva pucanje vratila te na osnovu
izmjerenih podataka izračunava krutost ispitivanog vratila.
Prostor za ispitivanje vratila ograđen je sigurnosnim staklom kako ne bi došlo do ozljeđivanja
operatera prilikom ispitivanja.
Slika 27. Uređaj za statičko ispitivanje vratila
Slika 28. Jedinica za savijanje i uvijanje vratila
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 33
Karakteristike uređaja:
- moment uvijanja : ± 10 000 Nm
- maksimalni kut savijanja pri statičkom ispitivanju: 0° do 40°
- aksijalni pomak : 300 – 2000 mm
- poprečni pomak: 0 – 250 mm
Sljedeće ispitno postolje tvrtke Blum – Novotest [17] koristi se za određivanje otpornosti
vratila na pucanje pri konstantnoj brzini vrtnje. Dva nasuprotno paralelna prijenosnika snage
spojena su s ispitivanim vratilom i pomoćnim vratilom (engl. slave shaft). Zatvorenim tokom
snage moment torzije narinut je pomoću reduktora s varijabilnom izlaznom brzinom vrtnje.
Isto tako, duljina pomoćnog vratila se prilagođava duljini ispitivanog vratila.
Slika 29. Dinamička kidalica tvrtke Blum - Novotest
Karakteristike kidalice:
- reduktor pomičan u aksijalnom smjeru
- reduktor sa mogućnošću okretanja oko vertikalne osi te pomaka u aksijalnom smjeru
- ventilatori za hlađenje zglobova vratila
- bez kontaktno mjerenje temperature spojeva
- mogućnost preciznog reguliranja opterećenja i brzine vrtnje
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 34
Ispitno postolje za ispitivanje vratila tvrtke Strama – MPS [18] konstruirano je, kao i u
prošlom primjeru, prema principu zatvorenog kruga opterećenja pa se stoga sastoji od dva
reduktora koji su povezani međusobno paralelnim vratilima. Opterećenje se na reduktor
prenosi preko hidraulične spojke koja spaja pogonski motor sa reduktorom.
Slika 30. Ispitni uređaj tvrtke Strama – MPS
Ovaj ispitni uređaj koristi se za ispitivanje dinamičke izdržljivosti vratila. Kompatibilan je sa
vratilima raznovrsnih promjera i duljina. Brzina vrtnje, moment torzije, vibracije, udarna
opterećenja i temperatura mogu se mjeriti i kontinuirano snimati pomoću uređaja za kontrolu
te prikazivati u grafičkom obliku preko monitora osjetljivog na dodir.
Tehnički podaci uređaja:
- brzina vrtnje: 0 do 6000 o/min
- moment torzije: 0 do 150 000 Nm
- duljina vratila: 300 do 2000 mm
Karakteristike uređaja:
- programibilna platforma za ispitivanje vratila
- varijabilna brzina vrtnje
- varijabilni moment torzije
- varijabilno udarno opterećenje (kretanje udara i brzina udara)
- mogućnost analiziranja dobivenih podataka mjerenjem preko programa LabVIEW
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 35
Ispitno postolje američke tvrtke MTS konstruirano je za ispitivanje i potvrdu dinamičke
izdržljivosti vratila korištenih u automobilskoj industriji simulirajući dinamička opterećenja
koja nastaju u realnoj eksploataciji vratila. Ispitno postolje se sastoji od temeljne ploče sa
pomičnim zaštitnim pregradama, hidrauličnog rotacijskog pokretača sa servo ventilima,
FlexTest® servo upravljača, SilentFlo™ hidraulične pogonske jedinice i sustava za brzo
isključivanje uređaja u slučaju opasnosti.
Slika 31. Isptini uređaj tvrtke MTS
Karakteristike uređaja:
- maksimalni pomak vratila: ± 45°
- maksimalno opterećenje: ± 11 kNm
- brzina vrtnje: 0 – 2000 o/min
- programski paket za pohranu i analizu izmjerenih podataka
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 36
Iz danih primjera može se vidjeti da je za izradu uređaja za ispitivanje vratila potrebno
robusno dimenzionirana temeljna ploča na koju su pričvršćeni elementi za prijenos snage i
okretnog momenta. Zbog vrlo velikih brzina vrtnje i momenata torzije, zaštitna pregrada je
nužna kako bi se prilikom ispitivanja osiguralo da ne dođe do veće materijalne štete, ali i do
ozljeda operatera ili u najgorem slučaju do ljudskih žrtava.
Ovisno o načinu opterećivanja vratila, temeljna ploča može imati vodilice koje omogućava
aksijalno, poprečno i kutno pomicanje elemenata za prijenos snage kako bi se mogla napraviti
potrebna ispitivanja. Isto tako, postoje rješenja kod kojih se koriste dva reduktora u
zatvorenom krugu opterećenja te isto tako moguće je rješenje pomoću jednog reduktora i
kočnice na drugom kraju vratila (otvoreni tok snage).
Uočeno je da ne postoje rješenja ispitnih uređaja koja bi mogla potkrijepiti sve varijante
opterećenja te su ispitni uređaji rađeni prema namjeni i ispitnom području.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 37
6. Sigurnosni aspekti koje je potrebno ostvarit kod uređaja za ispitivanje
kompozitnih vratila
Prilikom konstruiranja uređaja koji koriste velike brzine vrtnje ili velike snage u svojem radu
posebnu pažnju potrebno je usmjeriti na sigurnosne aspekte uređaja kako prilikom rukovanja
uređajem ne bi došlo do ozljeđivanja operatera ili ljudskih žrtava i materijalne štete.
Definiranje koje sigurnosne funkcije su potrebne za siguran rad uređaja:
- privremeno spriječeni pristup ispitnom dijelu uređaja
- zadržavanje dijelova unutar ispitnog dijela uređaja (krhotina)
- mogućnost brzog isključivanja
- izbjegavanje neočekivanog pokretanja uređaja
Iako je mogućnost pojave šrapnela kod kompozitnih vratila pri velikim brzinama vrtnje
znatno manje nego kod čeličnih i sličnih vratila, zaštitna pregrada se mora postaviti. Uz to,
postoji mogućnost da prilikom ispitivanja vratila komad odjeće operatera zapne u dio stroja
koji rotira te ozbiljno ozlijedi operatera.
Slika 32. Primjer zaštitne ograde uređaja
Također, uređaj bi trebao imati nekoliko lako dostupnih prekidača i senzora za brzo
isključivanje uređaja kako bi se uređaj mogao sigurno zaustaviti u slučaju nepredviđenih
situacija kojima bi se ugrozio ljudski život.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 38
Slika 33.Primjer senzora i prekidača za brzo isključivanje uređaja
Kontrolna ploča mora biti na dovoljnoj udaljenosti od dijela uređaja na kojem se vrši
ispitivanje vratila kako ne bi postojala mogućnost da operater bude u blizini rotirajućih
dijelova uređaja kako ne bi došlo do slučajnog kontakta i potencijalnih ozljeda. [19]
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 39
7. Elementi mjernog lanca
Kako bi se prilikom ispitivanja vratila mogli dobiti što preciznije izmjereni podaci, uređaj za
ispitivanje vratila mora biti opremljen određenim osjetnicima u mjernom lancu.
Prvi i najvažniji element mjernog lanca jest osjetnik (senzor) momenta torzije. Osnovi princip
rada senzora momenta torzije je baziran na vrlo jednostavnom mehaničkom principu, odnosno
temelji se na mjerenju sile koja se koristi za okretanje vratila. Kada se vratilu narine moment
torzije ono se uvija. To uvijanje prouzrokuje rastezanje materijala vratila u smjeru pod kutom
od 45° u odnosu na aksijalnu os vratila. Na materijal vratila isto tako djeluje tlačno naprezanje
pod kutom od 45°, ali u drugom smjeru. Sljedeća slika prikazuje djelovanje momenta torzije
na materijal vratila.
Slika 34. Ponašanje materijala vratila pri opterećenju momentom torzije
Elektronički pretvornik unutar senzora momenta torzije koristeći izmjerene vrijednosti
uvijanja vratila i na temelju tih vrijednosti izračunava moment torzije narinut na vratilo. Ovaj
senzor može se koristiti istovremeno za određivanje kutne deformacije vratila pošto mu se
princip rada temelji na mjerenju kutnog pomaka vratila kod uvijanja.
Drugi vrlo bitan osjetnik jest osjetnik brzine vrtnje. Kako bismo što realnije simulirali realne
uvjete u kojima se vratilo eksploatira, potrebno je što preciznije namjestiti parametre kao što
su moment torzije koji djeluje na vratilo, ali i brzina vrtnje pri određenom momentu torzije.
Osjetnik koji se koristi za mjerenje brzine okretanja vratila naziva se tahometar. Kod mjerenja
brzine vrtnje bez kontakta koristi se laserski tahometar. Njegov rad se zasniva na pulsiranju
laserske zrake na rotirajući element. Na rotirajućem elementu se nalazi reflektirajuća točka
koja odbija laserske zrake nazad u laserski tahometar pa na tom principu prema brzini
odbijanja laserske zrake tahometar mjeri brzinu vrtnje rotirajućeg elementa.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 40
Slika 35. Primjer laserskog tahometra
Nadalje, prilikom ispitivanja vratila pri velikim brzinama vrtnje postoji velika mogućnost
pregrijavanja zglobnih spojeva na vratilu. Iz tog razloga je potrebno pratiti temperaturu
spojeva pomoću bez kontaktnog infracrvenog laserskog mjeraća temperature. Primjer jednog
takvog mjeraća temperature dan je sljedećom slikom.
Slika 36. Infracrveni senzor temperature
Isto tako, kod brzo rotirajućih vratila čak i vrlo mali disbalans može prouzrokovati vibracije i
time smanjiti životni vijek vratila ili čak izazvati havariju vratila pri rezonantnoj frekvenciji
vibracija. Osim štetnosti na vijek trajanja vratila, vibracije imaju negativan učinak na
udobnost vožnje i povećavaju razinu buke prilikom vrtnje. U svrhu smanjenja vibracija vratila
potrebno je da uređaj za ispitivanje vratila u mjernom lancu ima osjetnik vibracija kako bi se
pravilnim balansiranjem vibracije mogle svesti na minimum.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 41
Slika 37. Osjetnik vibracija
Ova vrsta osjetnika svoj rad zasniva na 2. Newtonovom zakonu gibanja (𝐹 = 𝑚𝑎). Pobuda na
bazi osjetnika stvara silu 𝐹 na piezoelektrični materijal proporcionalnu narinutom ubrzanju 𝑎 i
seizmičkoj masi 𝑚 (masa rotacijskog elementa). Frekvencijski odziv je određen rezonantnom
frekvencijom senzora ω koja se može modelirati jednostavno za sustav s jednim stupnjem
slobode (rotacija), a formula glasi:
𝜔 = √𝑘
𝑚 , rad/s
gdje 𝑘 opisuje krutost piezoelektričnih elemenata unutar senzora, a 𝑚 masu rotacijskog
elementa.
Ovim senzorom moguće je isto tako mjeriti udarna opterećenja i akceleraciju koja djeluju na
rotacijski element.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 42
8. Funkcijska dekompozicija
ENERGIJAMATERIJAL
SIGNAL
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 43
9. Morfološka matrica
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 44
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 45
Tablica 6. Morfološka matrica
Na temelju funkcijske dekompozicije kojom je dan shematski pregled uređaja za ispitivanje
kompozitnih vratila te morfološke matrice kojom su dana principijelna rješenja
konstrukcijskih zahtjeva određenih funkcijskom dekompozicijom generiraju se shematski
prikazi koncepata prikazani u sljedećem poglavlju.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 46
10. Shematski prikaz koncepata
10.1 Koncept 1
Slika 38. Shematski prikaz ispitnog uređaja s zatvorenim tokom snage, Koncept 1:
PS – pogonski stroj (torzijski motor), S – spojka, RED – reduktor, TV – teleskopsko vratilo,
PV – pomoćno vratilo, IV – ispitno vratilo, EM – elektromotor, STO – bežićni senzor
torzijskog opterećenja, SLP – senzor linearnog pomaka, P – pirometar, SG – stezna glava
(amerikaner), SV – senzor vibracija, R – rezolver, US – uprvljačka sabirnica
Ovaj uređaj za ispitivanje vratila zasniva se na mehanički zatvorenom toku (krugu) snage. U
ovom krugu, torzijsko opterećenje unosi se u sustav preko torzijskog motora (PS) dok
elektromotor (EM) služi za dovođenje kutne brzine te za pokrivanje gubitaka snage nastalih
uslijed otpora (u ležajevima, između bokova zuba, otpora maziva, itd.). Na taj način,
primjenom zatvorenog toka snage, snaga elektromotora mnogo je manja od snage koja
cirkulira u zatvorenom toku.
Ovaj relativno mali utrošak energije pri ispitivanju jest i glavna prednost uređaja sa
zatvorenim tokom snage.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 47
Prihvat vratila omogućen je preko dvije stezne glave, čime je osigurano brzo postavljanje i
uklanjanje vratila s uređaja za ispitivanje. Kako bi se mogla ispitivati vratila različitih
dimenzija, s lijeve strane ispitnog vratila (zeleni pravokutnik) nalazi se među vratilo
(označeno ljubičastom bojom) koje je uležišteno ležajem u aksijalno pomičnoj glavini. Kako
bi se omogućio relativni pomak u aksijalnom smjeru, korišteno je teleskopsko vratilo (TV).
Sustavom senzora i pogonskih elemenata upravlja se preko računala, gdje se preko
upravljačke sabirnice (US) šalju i primaju signali potrebni za rad uređaja. Pa se tako pomoću
računala može birati željena brzina vrtnje elektromotora (EM) te narinuti moment torzije na
torzijskom motoru (PS).
Ovim uređajem moguće je mjeriti brzinu vrtnje vratila, opterećenje na vratilu, progib uslijed
centrifugalnih sila, kutni zakret (deformaciju) vratila pri statičkom ili dinamičkom
opterećenju, temperaturu zglobova kardanskog spoja (u slučaju ispitivanja kardanskog vratila)
te mjerenje vibracija uzrokovanih disbalansom rotirajućeg vratila.
Mjerenje brzine vrtnje vratila vrši se preko rezolvera (R) koji je u stalnoj vezi s
elektromotorom kako bi se moglo vršiti zadavanje željene brzine vrtnje vratila. Isto tako,
rezolverom (R) mjeri se kutni zakret. Opterećenje se mjeri izravnim mjerenjem putem
bežičnog senzora torzijskog opterećenja, smještenog na spoju teleskopskog vratila (TV).
Temperatura zgloba se mjeri pirometrima (P).
Progib vratila mjeri se senzorom linearnog pomaka koji je smješten na glavini kojoj je
omogućen aksijalni pomak. Senzorom linearnog pomaka dolazi se do vrijednosti progiba
vratila posrednom metodom, odnosno preko geometrije vratila.
Slika 39. Shematski prikaz mjerenja progiba:
crna linija – mirujuće vratilo, crvena linija – rotirajuće vratilo, L1 – duljina mirujućeg vratila,
L2 – duljina rotirajućeg vratila
Prednosti koncepta:
- mali utrošak energije rezultira manjom potrebnom snagom elektromotora
- mogućnost statičkog i dinamičkog opterećenja vratila
- mogućnost ispitivanja vratila različitih duljina
- brzi prihvat vratila omogućen steznim glavama
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 48
Nedostatci koncepta:
- složenost izvedbe
- brojnost komponenata koje ne sudjeluju aktivno u mjernom krugu već služe samo za
prijenos snage i okretnog momenta
- skupa izrada
10.2 Koncept 2
Slika 40. Shematski prikaz ispitnog uređaja s otvorenim tokom snage, Koncept 2:
S – spojka, ZS – zupčasta spojka, RED – reduktor, MUL – multiplikator, IV – ispitno vratilo,
EM – elektromotor, P – pirometar, SV – senzor vibracija, US – uprvljačka sabirnica, ED –
elektro dinamometar, IE – inkrementalni enkoder, OS – optički senzor
Ispitni uređaj je zamišljen za rad na principu mehanički otvorenog toka snage. Konstruktivno,
takvi uređaj je jednostavniji od ispitnog uređaja sa zatvorenim tokom snage (Koncept 1).
Na ispitnom postolju montiraju se redno pogonski stroj (EM), prijenosnici (RED i MUL) te
simulator radnog stroja (elektro dinamometar). Veza s postoljem je ostvarena stezaljkama
koje omogućavaju relativno brzo premještanje komponenti sustava prema želji, a time i
ispitivanje vratila različitih duljina i pod različitim kutovima (za kardanska vratila).
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 49
Spoj ispitnog vratila s uređajem za ispitivanje vratila ostvaren je zupčastim spojkama (ZS)
koje omogućavaju relativno brzu montažu i demontažu ispitnog vratila, a istovremeno
osiguravaju prijenos velikih momenata torzije.
Pirometrima (P) se mjeri temperatura zglobnih spojeva na vratilu za vrijeme ispitivanja
vratila.
Ovim ispitnim uređajem moguće je mjeriti broj okretaja vratila i opterećenje momentom
torzije pomoću elektro dinamometra (ED) koji je smješten poslije multiplikatora (MUL) kako
bi što manjom silom ostvarivao veći moment kočenja, pa samim time lakše kočio i manje se
zagrijavao.
Isto tako, kutni zakret, odnosno kutna deformacija vratila mjeri se pomoću inkrementalnog
enkodera (IE). Progib vratila pri ispitivanju mjeri se optičkim senzorom (OS), dok se vibracije
nastale uslijed disbalansa vratila mjere senzorom vibracija (SV).
10.3 Koncept 3
Slika 41. Shematski prikaz ispitnog uređaja s otvorenim tokom snage, Koncept 3
S – spojka, SG – stezna glava (amerikaner), RED – reduktor, MUL – multiplikator, IV –
ispitno vratilo, EM – elektromotor, IR – infracrveni senzor temperature, SV – senzor
vibracija, US – uprvljačka sabirnica, HK – hidraulička kočnica, IE – inkrementalni enkoder,
SLP – senzor linearnog pomaka, VZ – varijabilni zamašnjak, STO – senzor torzijskog
opterećenja
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 50
I ovaj ispitni uređaj radi na principu mehanički otvorenog toka snage. Snaga se u sustav unosi
preko elektromotora (EM) na kojeg je redno spojen reduktor (RED) nepomično pričvršćen za
postolje. Steznim glavama (SG) omogućen je brzi prihvat i uklanjanje vratila s ispitnog
uređaja. Nadalje, unutar sustava nalazi se i varijabilni zamašnjak (VZ) namijenjen simuliranju
opterećenja na vratilu prilikom testiranja. Stoga, varijabilni zamašnjak (VZ) u ovom slučaju
predstavlja sve mase koje vratilo mora pokrenuti u realnim eksploatacijskim uvjetima.
U crnom crtkanom kvadratu nalazi se sklop s multiplikatorom (MUL) te hidrauličnom
kočnicom (HK), a povezani su spojkom (S). Cijeli sklop se nalazi na vodilicama koje
omogućavaju relativni aksijalni pomak do kojeg dolazi uslijed pojave progiba na vratilu
prilikom testiranja. Upravo taj relativni aksijalni pomak očitan sa senzorom linearnog pomaka
(SLP) daje nam podatak o veličini progiba vratila. Isto tako, aksijalnim pomakom sklopa
multiplikatora i kočnice omogućeno je ispitivanje različitih duljina vratila.
Ispitni uređaj opremljen je raznim senzorima, kao što su senzor torzijskog opterećenja (STO)
kojim se očitava narinuti moment torzije na ispitnom vratilu (IV), inkrementalni enkoder (IE)
za mjerenje kutnog zakreta ispitnog vratila (IV), infracrveni senzori temperature (IR)
smješteni kod zglobova vratila te senzor vibracija (SV). Mjerenje broja okretaja vratila vrši se
pomoću pogonskog elektromotora (EM), čijim radom se upravlja preko upravljačkog
računala.
Isto tako, upravljačkim računalom upravlja se radom hidrauličke kočnice, što omogućava
opterećivanje ispitnog vratila (IV) i zaustavljanje uređaja pri kraju ispitivanja.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 51
10.4 Prikaz odabranih rješenja iz morfološke matrice
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 52
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 53
Tablica 7. Morfološka matrica s elementima korištenim u konstruiranju koncepata:
Crvenom linijom prikazan je Koncept 1, plavom linijom prikazan je Koncept 2, dok je
Koncept 3 prikazan zelenom linijom u morfološkoj matrici
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 54
11. Vrednovanje koncepata
U svrhu odabira koncepta za detaljnu razradu napravljena je tablica za vrednovanje
koncepata. Ocjene koncepata su od 1 do 10 gdje ocjena 1 označava vrlo loše ispunjen kriterij
dok ocjena 10 označava u potpunosti ispunjen kriterij.
Tablica 8. Vrednovanje koncepata
Temeljem tablice za vrednovanje koncepata odlučeno je da će se Koncept 3 detaljnije
razraditi po uzoru na shematski prikaz iz prijašnjeg poglavlja. Isto tako, lošije ocjene koje je
dobio Koncept 3 pokušati će se daljnjom konstrukcijskom razradom poboljšati. Kod daljnje
razrade valja imati na umu da sve komponente ispitnog uređaja moraju biti tehnologično
izvedive, odnosno da se svi standardni dijelovi korišteni pri konstruiranju mogu nabaviti da
tržištu.
ODABIR
KRITERIJA KONCEPT 1 KONCEPT 2 KONCEPT 3
Spektar
opterećenja vratila 8 7 8
Jednostavnost
izrade (proizvodni
postupci,
tehnologija)
6 6 8
Složenost izvedbe
pogona 6 7 8
Mogućnosti
mjerenja 7 7 9
Sigurnost 9 9 9
Cijena 7 6 8
∑ 43/60 42/60 50/60
Rang lista 2. 3. 1.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 55
12. Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila
Slika 42. Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila
Pri konstruiranja uređaja posebna je pažnja usmjerena na tehnologičnost izrade kako bi se
uređaj izradio u što kraćem vremenu, što jeftinije i sa što manje obrade. Isto tako, većina
dijelova uređaja je standardna i može se nabaviti na tržištu. Time je pridoneseno znatnom
pojednostavljenju izrade uređaja.
Detaljniji pregled uređaja dan je Prilogom 1.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 56
Slika 43. Izometrijski prikaz idejnog rješenja uređaja za ispitivanje vratila
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 57
Slika 44. Detalj pogonskog dijela uređaja
Slika 45. Detalj gonjenog dijela uređaja
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 58
13. Zaključak
Radom je dan pregled svojstava kompozitnih materijala, podjela kompozita prema materijalu
matrice i vlakana te primjeri primjene kompozitnih materijala u industriji. Prikazana je
podjela osnovnih vrsta spojeva kompozit – metal i konstrukcijskih rješenja spojeva kompozita
i metala. Također, radom je dan pregled bitnih stavki kod konstruiranja kompozitnog vratila
kao što su odabir vrste materijala, vrste smole, vrste ljepila i tehnike izrade.
Isto tako, prikazane su vrste opterećenja koje djeluju na vratilo i spoj kompozit – metal na
vratilu te kriteriji pri odabiru vrste spoja kompozit – metal.
Razvojem kompozitnih materijala te tehnologije izrade kompozitnih vratila sve se više tvrtki
upušta u izradu svojih prototipova kompozitnih vratila koje je prije prodaje kupcima potrebno
ispitati zadovoljavaju li sve potrebne kriterije za siguran i pouzdan prijenos okretnog
momenta. Samim time otvara se novo tržište, a ono se zasniva na razvoju uređaja za
ispitivanje kompozitnih vratila.
Istraživanjem tržišta uočeno je da postoje ispitni uređaji za ispitivanje vratila te da postojeći
uređaji ne mogu potkrijepiti sve vrste opterećenja i rađeni su prema određenoj namjeni i
ispitnom području.
Predložena su tri koncepcijska rješenja. Vrednovanjem i ocjenjivanjem koncepata za daljnju
razradu odabran je Koncept 3. Na temelju shematskog prikaza koncepta, napravljen je idejni
model uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila. Uređaj ima namjenu ispitivanja vratila u
različitim radnim uvjetima gdje je potrebno regulirati brzinu vrtnje vratila te moment narinut
na vratilo pri dinamičkim uvjetima ispitivanja. Namjena uređaja proizašla je iz
eksploatacijskih i funkcionalnih uvjeta u kojima se primjenjuju kompozitna vratila u
automobilskoj industriji.
Konstrukcijskom razradom problema konstruiranja kompozitnih vratila te sagledavanjem
problema konstruiranja kompozitnih vratila i primjene istih dan je prikaz mogućih pravaca
razvoja ispitnih uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila.
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 59
14. Literatura
[1] Filetin T., Kovačiček F., Indof J.: Svojstva i primjena materijala, Zagreb 2002.
[2] Suryawanshi B.K., Damle P.G.: Review of Design of Hybrid Aluminium/Composite
Drive Shaft for Automobile
[3] Bhajantri V.S., Bajantri S.C., Shindolkar A.M., Amarapure S.S.: Design and analysis of
composite drive shaft
[4] Khoshravan M.R., Paykani A.; Design of a Composite Drive Shaft and its Coupling for
Automotive Application
[5] Pollard, A.: Polymer matrix composites in driveline applications, GKN Technology,
Wolverhampton, UK
[6] Kim W.S., Lee J.J.: Interfacial fracture toughness measurement and improvement for
composite/metal interfaces
[7] Dons, K.: FIlament winding of composite tubes
[8] Peters S.T., Humphrey W.D., Foral R.F.: Filament winding - composite structure
fabrication, ISBN 0-938994-81-6
[9] Kunej, W.: Poliesterski kompoziti, Metalmineral, 2006., ISBN 953-99392-1-6
[10] Azo Materials: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=997
[11] Keys C., Kinkler W., Santiago A.: Composite driveshaft: Efficiency, Safety and
Economics
[12] Matsuzaki R., Shibata M., Todoroki A.: Improving performance of GFRP/aluminum
single lap joints using bolted/co-cured hybrid method
[13] U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration: Stress Analysis of
In-Plane, Shear-Loaded, Adhesivly Bonded Composite Joints and Assemblies, April
2001., Virginia Springfield
[14] Fors, F.: Analysis of Metal to Composite Adhesive Joints in Space Applications
[15] Plexus Structural Adhesives: Guide to bonding plastics, composites and metals
[16] Car torque specification list: http://www.autosnout.com/Car-Torque-List.php
[17] Blum – Novotest: http://www.blum-novotest.com/
[18] Strama – MPS: http://www.strama-mps.de/
[19] SICK, Inc.: Guidelines for safe machinery
[20] Papić, V.: Elektroničke komponente mehatroničkih sustava – Mjerni pretvornici
(senzori), Tehnički fakultet Sveučilišta u Rijeci, Zavod za konstruiranje u strojarstvu
Kuzmić, N.: Idejno rješenje uređaja za ispitivanje kompozitnih vratila Završni rad
Fakultet strojarstva i brodogradnje 60
15. Prilozi
I. Tehnička dokumentacija
II. CD-R disk
4200
150
0
2655
3500
M 1:10
M 1:20
1
2
3
3
1150
750
900
1800
118
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 11 13 10 14 15 16 1718
A A
A
B
14P
9/h8
12P
9/h8
4 5 6 7 8 9 10 11 12
A-AM 1:5
1
14P
9/h8
12P
9/h8
11 1310 14 17
12P9/h8
14P9/h8 -0,061+0,009
+0,009-0,061
1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.12.13.14.15.
ElektromotorPostolje
Zaštitna pregradaReduktorMjerno vratiloSpojka 1Senzor momenta torzijeZupčasta spojkaVratilo 1UležištenjeStezna glavaIspitno vratiloVratilo 2ZamašnjakSpojka 2
16.17.
Hidraulička kočnicaMultiplikator
1
1211
1
2
1112
11
111
2
010-001
001-001
001-002
001-003
001-005001-004
WEG motor
WEG FSA
Suoda GAB3Futek TRS705
XL-19-KC
SNL 510ISEL
SITSPASuoda GAB4
Warner ElectricWEG
Linearne vodilice18.1
ISEL LS 35 SS
S355
S355
S355
S355
3500x900x750WEG
2640x850x400WEG65x425SuodaFutek
55x250SKF
200x120x 55
65x280315x50x 65
WEGl = 2640
850 kg210 kg10 kg250 kg8 kg
3 kg
4 kg
180 kg8 kg
25 kg8 kg
15 kg7 kg
6 kg12 kg6 kg
1600 kgH
G
F
E
D
C
B
A
121110654 987321
1009070 8050 604020 300 10
Design
by
CADL
ab
Mjerilo originala
ProizvođačSirove dimenzije
Objekt broj:R. N. broj:
Potpis
FSB ZagrebRazradioCrtao
Objekt:
Pregledao
ProjektiraoDatum Ime i prezime
Kopija
Format:
List:
Listova:
Pozicija:
Masa:
Naziv:
Crtež broj:
Materijal:
Napomena:
Broj naziva - code
ISO - tolerancije
MasaMaterijalKom. Crtež brojNormaNaziv dijelaPoz.
Nikola KuzmićNikola KuzmićNikola Kuzmić
Idejno rješenje uređajaza ispitivanje kompozitnih vratila
100-001-001 1
1
A2
M 1:20
14.02.2016.